飞机结冰的那些事（1）

       复联4已经下映，超级英雄们又一次集结在大荧幕上拯救世界。全球影迷狂欢的同时，还有一丝丝伤感，一批超级英雄在复联4 后将退役，特别钢铁侠的牺牲，让一众粉丝在电影院里痛哭流涕。

                                                               《复仇者联盟4 海报》

作为开启漫威宇宙的关键人物，钢铁侠对于漫威的意义不言而喻。然而就是

这样一个硬刚灭霸、飞天遁地的超级英雄，在刚出道的时候，竟然差点因为一项技术问题而丧生。到底是何技术如此可怕呢？

                                                            差点扼杀了钢铁侠的结冰问题

    这个问题就是结冰！让我们回到《钢铁侠1》，钢铁侠托尼第一次穿上战甲翱翔空中，由于过于兴奋不顾地面小伙伴的警告，一直爬升高度，结果遭遇结冰气象，穿云后结冰，就像这样：

                                                                     《钢铁侠1》片段

      幸好地面小伙伴反应及时、操作得当外加托尼主角光环照耀，才没有“机毁人亡”，不然后面就没有复联的事儿了。捡回一条命的钢铁侠，专门针对结冰问题对战甲进行了升级，造出二代战甲。后来反派偷走第一代战甲进行升级，然而他们并不知晓一代和二代的根本区别，以为稳操胜券。这一点被钢铁侠利用，将他引到高空结冰。

                                                                   《钢铁侠1》片段

      连结冰都不懂，就敢号称先进的反派在机体表面冻结后，电子系统和机械系统失效，一头跌落，成为钢铁侠反败为胜的关键。编剧们设计的这段剧情，是纯拍脑袋胡诌出来的吗？当然不是，这段很明显是借鉴了飞机设计领域的结冰问题，是有着现实基础的。有人可能会问了，结冰问题差点整死钢铁侠又干倒了大反派，现实中飞机结冰问题有这么可怕吗？

                                                                     结冰有多可怕

      据统计，1975 年到1980 年仅6 年的时间内，美国就因为飞机结冰造成178起事故，1999 年到2009 年的十年间国内外因为飞机结冰造成飞行事故68 起。这些数字的背后意味着成百上千的人因为飞机结冰而丧生。特别是我国预警机的重要平台—运八飞机，因为结冰事故极大阻碍了其发展进程。

                                                                               运八飞机

    飞机结冰问题之所以可怕，是因为结冰对飞机的气动和操稳特性有着重要的影响，一旦结冰达到一定程度，造成机翼提供的升力不足，飞机就会掉落，若是再造成平尾提供的配平力矩不足，飞机将无法操控，造成不可挽回的灾难。能被漫威编剧看重，并作为《钢铁侠1》的压轴关键技术，结冰除了本身的可怕，更可怕的是结冰研究本身的难度。

                                                                        结冰设计“四大难”

    搞工程的都知道，理论、计算和试验是解决问题的三大法宝。可是若是这三个法宝都不完善，那问题的难度可想而知。很不幸，结冰就是这样的一个问题，不止如此，作为飞机设计领域的问题，结冰还多了一项—试飞难。

理论难

    目前关于飞机结冰机理尚无准确清晰的认知，尽管有了一些假说，但是仍缺乏可靠的试验支撑和理论体系。因此关于过冷水滴的特性、微观层面冰的生长、冰与机体的粘附等等基础理论仍存在诸多未解之谜，这也是阻碍结冰研究的关键之处。

计算难

    下面这个图是AC20-73A 中给出的八种不同结冰计算程序得到冰形与试验结果的对比。稍微看下图中的结果就能得出一个结论：不同程序得到的冰形可谓千奇百怪，差别甚大。计算想要跟试验对的上，是很难的。由于对结冰机理的认知程度不深，当前尚无法建立可靠的结冰预测模型。

 试验难

    既然计算预测难，那么做冰风洞试验总可以了吧？抱歉，试验的限制更大。大型民用飞机的机翼弦长动辄三五米，连当前世界最大的冰风洞都装不下，更何况很多结冰气象参数条件是目前的冰风洞无法实现的。除此之外，冰风洞试验成本还高的吓人。因此结冰研究的试验也不是个轻松的事儿。

                                                                        机翼冰风洞试验

试飞难

    飞机结冰试飞难，难于上青天。这个难体现在两点，一是找到合适的结冰气象很难。中国商飞的ARJ21-700 飞机，追冰四年，最终跨过大半个地球到加拿大才完成自然结冰试飞科目。第二是试飞的风险高，飞机结冰本身就是考验飞机在极端情况下性能，通常飞机航线运营，碰到结冰气象都得避开，而结冰试飞却要迎头而上，其中的风险可想而知。

计算难—软件开发

    针对计算难的问题，320科技工作室联合航空院校及研究所，开发了一套基于Matlab的结冰软件，该软件经过NASA冰形数据库的校准，能够很好的预测不同翼型的冰形。一些计算结果如下图所示，下一期文章会对软件进行详细的介绍。

                                                              GLC305翼型结冰结果对比

                                                          NACA0012翼型结冰结果对比

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